美國陸基中段防御核心能力分析評估*

唐毓燕

?空天防御體系與武器?

美國陸基中段防御核心能力分析評估*

唐毓燕

（北京電子工程總體研究所，北京 100854）

基于美國陸基中段防御系統發展情況與公開情報信息，結合美國彈道導彈防御工業基礎與技術水平，運用系統工程方法，對其預警與跟蹤識別能力、保護區、導彈單發殺傷概率、多目標能力、對付目標能力水平5項核心能力進行了定量分析或定性評估，有助于更深入準確地認識美國陸基中段防御能力。

陸基中段防御；預警與跟蹤識別能力；保護區；導彈單發殺傷概率；多目標能力

0　引言

美國陸基中段防御（ground-based midcourse defense，GMD）系統自2004年部署以來，采用“邊部署、邊試驗、邊改進”的發展思路，通過循序漸進開展系列飛行試驗，逐步驗證系統能力，并持續擴展裝備部署，美國本土導彈防御能力得到穩步提升，現已針對來襲遠程與洲際彈道導彈威脅目標建立起重點弧段預警探測多重覆蓋、信火一體高效指揮控制的陸基中段防御初始能力［1］。

目前，關于美國陸基中段防御相關文獻多為情報跟蹤與發展研判相應內容，本文著眼于美國陸基中段防御的使命任務與特點，辨識其核心能力指標，基于公開情報信息，運用系統工程方法，進行反設計與分析評估，以便更深入準確地認識美國陸基中段防御能力。

1　美國GMD系統發展現狀

GMD系統采用全球分布式部署結構，是美國全球一體化分層彈道導彈防御系統（ballistic missile defense system，BMDS）的核心組成，包括預警探測與跟蹤識別系統、指揮控制/作戰管理與通信系統（command and control， battle management and communications，C2BMC）、攔截裝備3類要素。預警探測與跟蹤識別系統執行早期預警、目標跟蹤與識別、提供殺傷評估信息等任務，包括天基高軌紅外預警衛星系統、預警雷達、AN/TPY-2雷達（包括薩德雷達和前置雷達2種應用模式）、海基X波段雷達（sea-based X-band radar，SBX）、遠程識別雷達（long range discrimination radar，LRDR），其中現役天基高軌紅外預警衛星系統由5顆靜止軌道國防支援計劃（defense support program，DSP）衛星［2］、6顆天基紅外系統（space-based infrared system，SBIRS）靜止軌道 （geosynchronous earth orbit，GEO）衛星、4顆SBIRS大橢圓軌道（highly elliptical orbit，HEO）衛星組成；預警雷達包括5部改進型早期預警雷達（upgraded early warning radar，UEWR，格陵蘭圖勒站、英國菲林戴爾斯站、阿拉斯加州克利爾站、加利福尼亞州比爾站、馬薩諸塞州科德角站）、1部丹麥眼鏡蛇雷達（阿拉斯加州謝米亞島）、1部臺灣新竹鋪路爪雷達；12部AN/TPY-2雷達分別部署于韓國星州郡、日本青森縣車力基地和京丹后市、以色列內蓋夫、土耳其馬拉迪亞、卡塔爾、羅馬尼亞、阿聯酋、關島、夏威夷、威克島、白沙靶場；1部海基X波段雷達母港為阿拉斯加艾達克島，可海上按需移動；1部遠程識別雷達部署于阿拉斯加州克利爾空軍基地。C2BMC系統接收傳感器早期預警、跟蹤識別等信息，進行融合處理、威脅排序、作戰計劃制定、資源調控、網絡管理，并組織實施火力攔截、殺傷評估及后續交戰，包括陸基中段反導火控單元、陸基中段防御通信網絡、飛行中攔截彈通信系統（inflight interceptor communications system，IFICS）、外部系統接口等設施。攔截裝備在C2BMC系統的指揮控制下，執行對來襲目標具體攔截作戰任務，包括陸基攔截彈（ground-based interceptor，GBI）及其發射設施。

2　美國GMD系統核心能力分析評估

GMD系統主要用于對進攻美國本土的遠程或洲際彈道導彈實施陸基中段防御，其核心能力主要包括預警與跟蹤識別能力、保護區、導彈單發殺傷概率、多目標能力、對付目標能力水平5個方面。

2.1　預警與跟蹤識別能力分析

預警與跟蹤識別能力可進一步細分為早期預警能力、目標類型識別與型號識別能力、探測覆蓋范圍、跟蹤精度、目標真假識別能力5個方面。

2.1.1早期預警能力分析

美國彈道導彈防御早期預警主要依托天基紅外系統、預警雷達、AN/TPY-2雷達實現，以天基為主、地基為輔，天地聯合實施彈道導彈發射告警與來襲告警。

DSP衛星配備有紅外望遠鏡、高分辨可見光電視攝像機2種載荷，衛星主軸保持對地定向，采用6 r/min自旋轉工作方式，紅外望遠鏡視場12°，其軸線與衛星主軸夾角6°，每隔10 s左右對約1/3地球表面區域重復掃描1次，能在彈道導彈發射后60～90 s內發現主動段目標傳送給地面/海基移動接收站，地面/海基移動接收站進行持續累計信息處理后再傳給指揮中心，全過程需要約3 min［3］；高分辨可見光電視攝像機用于消除高空云層陽光反射虛警，紅外望遠鏡沒有發現目標時可見光電視攝像機每隔30 s向地面接收站發送1次電視圖像，一旦紅外望遠鏡發現目標可見光電視攝像機以1～2幀/s的速率向地面/海基移動接收站發送電視圖像。

SBIRS-GEO衛星采用雙探測器方案，包括1臺高速掃描探測器與1臺高分辨率凝視探測器，探測波段覆蓋中波紅外、短波紅外、可見光。掃描探測器的一維線陣在東西方向瞬時視場約10°，通過兩維指向機構控制，實現東西、南北視場20°×20°搜索，覆蓋整個地球圓盤，掃描周期約3 s；凝視探測器視場約0.7°×7°［4］，可通過面陣拼接技術實現更大范圍視場，成像周期約0.1 s，可根據掃描探測器信息將目標畫面拉近放大，詳細確認是否發生彈道導彈發射活動。SBIRS-HEO衛星部署于典型“閃電”軌道，軌道傾角約63.4°，軌道周期12 h，配置1臺高速掃描探測器，性能參數與GEO衛星類似，重點對地球北極地區進行掃描，掃描周期約1 s。SBIRS衛星具備穿透云層探測能力，可在彈道導彈發射10～20 s內將預警信息發送至地面運行控制系統。

預警雷達與AN/TPY-2雷達預警探測會受到地球曲率限制，可根據具體部署情況，輔助進行彈道導彈早期預警校核，實施天地一體聯合預警。

綜合美國現有5顆DSP衛星、6顆SBIRS-GEO衛星、4顆SBIRS-HEO衛星以及地面預警雷達、AN/TPY-2雷達，彈道導彈早期預警以SBIRS衛星為主體，DSP衛星與地面預警雷達、AN/TPY-2雷達輔助，可實現對彈道導彈發射告警時間不大于20 s，彈道導彈主動段關機前給出來襲告警。

2.1.2目標類型識別與型號識別能力分析

目標類型識別是指對目標進行關于彈道導彈、臨近空間高超聲速飛行器、空氣動力目標、火箭發射等的分類識別；目標型號識別是指對目標進行具體所屬型號的識別，如“火星”-15、“大浦洞”-2、“烈火”-5彈道導彈等。SBIRS衛星監測到目標發射信息后，在充分建立對手國家情報資料與數據庫先驗信息條件下，利用目標火焰光學特征以及位置、速度、加速度、飛行高度、飛行軌跡等運動特征，結合發射點、國別、射程估計等信息，進行目標類型識別與型號識別。

根據SBIRS衛星的跟蹤能力，目標類型識別概率在彈道導彈發射80 s后一般不低于99%，主動段關機前可無限接近100%。對于目標型號識別概率，與對手國家彈道導彈型號數量、特征差異性及先驗信息掌握程度有關，根據美國彈道導彈預警探測系統完備程度及綜合情報獲取能力，平常通過監測各國彈道導彈飛行試驗情況，積累大量基礎數據，對遠程、洲際彈道導彈發射80 s后型號識別概率預計不低于90%，主動段關機前應不低于99%。

2.1.3探測覆蓋范圍分析

對于預警探測與跟蹤識別系統探測覆蓋范圍，可分天基高軌紅外預警衛星系統、陸基/海基導彈防御雷達兩類裝備分別進行分析。

（1） 天基高軌紅外預警衛星系統探測覆蓋范圍分析

5顆DSP衛星覆蓋范圍如圖1所示，部署情況及狀態如表1所示［2-3］。

表1 　美國5顆DSP衛星部署情況及狀態

圖1 　美國5顆DSP衛星探測覆蓋范圍

6顆SBIRS-GEO衛星部署情況及狀態如表2所示［2］，其前4顆衛星掃描覆蓋范圍如圖2所示，瞬時視場覆蓋地表范圍約邊長430 km的正方形區域。

表2 　美國6顆SBIRS-GEO衛星部署情況及狀態

圖2 　美國前4顆SBIRS-GEO衛星探測覆蓋范圍

4顆SBIRS-HEO衛星部署情況及狀態如表3所示［2］。每顆SBIRS-HEO衛星每天可觀察北極地區時間不小于12 h，通過4顆SBIRS-HEO衛星交替工作，可實現對北半球高緯度地區全天24 h持續雙星監視與跟蹤定位。

DSP衛星與SBIRS-GEO衛星均可實現對中、低緯度區域全球覆蓋，并且對中東、東亞等重點區域均可實現至少雙重甚至三重覆蓋，結合SBIRS-HEO衛星可實現除南極大陸以外的全球覆蓋。DSP衛星與SBIRS-GEO衛星的位置可根據實際任務需求機動調整，以強化對特殊軍事行動支持力度。

（2） 陸基/海基導彈防御雷達探測覆蓋范圍分析

根據美國陸基/海基導彈防御雷達跟蹤威力參數［1］，結合公開情報信息，針對初級突防水平遠程和洲際彈道導彈（彈頭前向雷達散射截面在P、L波段約0.2 m2，在S、X波段約0.1 m2），可以分析得到除威克島、白沙靶場用于試驗的AN/TYP-2雷達以外美國陸基/海基導彈防御雷達探測覆蓋范圍如圖3所示。

表3 　美國4顆SBIRS-HEO衛星部署情況及狀態

圖3 　美國陸基/海基導彈防御雷達探測覆蓋范圍（針對初級突防水平彈道導彈）

2.1.4跟蹤精度分析

（1） 天基高軌紅外預警衛星系統跟蹤精度分析

圖4 　SBIRS雙星對“火星”-15洲際彈道導彈主動段跟蹤精度仿真分析

（2） 陸基/海基導彈防御雷達跟蹤精度分析

分析美國陸基/海基導彈防御雷達對來襲彈道導彈目標跟蹤精度，首先需要研究分析其距離、方位角、俯仰角測量誤差。考慮到雷達測量系統誤差可通過跟蹤標校星等手段基本消除，下面重點分析雷達測量隨機誤差特性。雷達測距隨機誤差經驗公式可表示為

雷達測角隨機誤差主要與雷達天線波束寬度與信噪比有關，經驗公式可表示為

雷達波束寬度經驗公式可表示為

基于公開情報信息，結合美國導彈防御雷達技術水平，分析評估美國陸基/海基導彈防御雷達測量精度情況如表4所示。

對于朝鮮“火星”-15洲際彈道導彈從平安南道順川發射進攻美國本土中部密蘇里州哥倫比亞市典型用例，日本青森縣AN/TPY-2雷達、謝米亞島“丹麥眼鏡蛇”雷達、艾達克島母港海基X波段雷達、克利爾UEWR雷達、克利爾LRDR雷達可參與作戰，在跟蹤數據率1 Hz情況下，其跟蹤范圍與跟蹤精度如表5所示，其中克利爾LRDR雷達跟蹤位置誤差與速度誤差如圖5所示。如果跟蹤數據率提高至5 Hz以上，速度誤差可進一步減小約20%～50%。綜合考慮GBI大氣層外攔截器（exoatmospheric kill vehicle，EKV）導引頭對彈頭目標500 km以上作用距離［7］、EKV最大4過載能力［8］，跟蹤精度最低的UEWR雷達也能滿足陸基中段防御中末制導交班要求，精度鏈可以閉合。

表5 　美國陸基/海基導彈防御雷達跟蹤彈道目標精度

圖5 　克利爾LRDR雷達跟蹤彈道目標精度分析

2.1.5目標真假識別能力分析

目標真假識別主要依托美國陸基/海基導彈防御雷達及彈上導引頭具體實施，其識別能力與目標場景復雜程度、傳感器裝備性能與具體識別算法等密切相關，外界難以進行準確定量分析，只可在一定程度上定性評估。文獻［1］對美國預警探測與跟蹤識別系統的識別技術手段與特征進行了分析，結合美國彈道導彈防御試驗實施情況，可以初步判定：對于頭體分離無突防彈道導彈或少量誘餌有限突防彈道導彈，美國預警探測與跟蹤識別系統現有能力可以對彈頭目標進行有效識別，但面對多彈頭與大量誘餌/干擾強突防場景，目前尚無相關證據表明能夠進行有效對抗，美國自評價具備有限的突防對抗能力。

2.2　保護區分析

計算美國陸基中段防御保護區，先要分析GBI攔截彈飛行能力。

2.2.1GBI攔截彈飛行能力分析

目前主要部署的GBI攔截彈由三級助推器和EKV組成，其中三級助推器為軌道科學公司研制的OBV火箭，據公開資料，一、二、三級發動機分別為Orion 50S XLG、Orion 50 XL、Orion 38或其改進型，燃燒時間分別為69，71，66.8 s，可為GBI攔截彈提供最大約7 km/s飛行速度，GBI攔截彈射面飛行能力如圖6所示，最大攔截距離不小于5 000 km，最大攔截高度超過2 500 km［1］。

圖6 　美國GBI攔截彈射面飛行能力

2.2.2保護區分析

對于遠程或洲際彈道導彈中段防御保護區，一般是指敵方某型遠程或洲際彈道導彈從某發射點進攻目標區域范圍，中段防御系統能夠攔截的目標進攻彈道對應的攻擊點所構成的區域。以朝鮮“火星”-15洲際彈道導彈為例，據公開資料其最大射程可達13 000 km，在時間鏈與能量鏈閉合（即時空交會）約束條件下，GBI攔截彈飛行中保持與基地視距指令通信，美國陸基中段防御格里利堡和范登堡GBI攔截彈對應的保護區如圖7所示。

2.3　導彈單發殺傷概率分析

表6 　美國陸基中段防御導彈單發殺傷概率

2.4　多目標能力分析

美國陸基中段防御多目標能力可進一步分為預警探測與跟蹤識別多目標能力、指控處理多目標能力、攔截多目標能力3個方面，并取決于三者中的最低能力。

2.4.1預警探測與跟蹤識別多目標能力分析

（1） 天基高軌紅外預警衛星系統多目標能力分析

天基高軌紅外預警衛星系統主要針對主動段彈道導彈目標進行跟蹤，掃描范圍覆蓋南極大陸以外全球表面區域，SBIRS衛星系統可以實現全球大規模來襲彈道導彈主動段低數據率（約3 s周期）監視，單顆SBIRS衛星可對地表18.5萬平方千米（邊長430 km的正方形區域）內的主動段彈道導彈目標進行10 Hz數據率凝視跟蹤，通過面陣拼接技術也可對地表185萬平方千米內的主動段彈道導彈目標進行1 Hz數據率凝視跟蹤。

（2） 陸基/海基導彈防御雷達多目標能力分析

美國陸基/海基導彈防御雷達均為相控陣雷達，每部雷達應對彈道導彈的多目標能力主要與目標場景復雜度、目標搜索方式、跟蹤目標距離（對應雷達脈沖重復周期）、跟蹤數據率、波束寬度、目標識別等因素密切相關。在單純實施彈道導彈防御時，考慮到美國天基高軌紅外預警衛星系統的全球監視跟蹤能力，美國陸基/海基導彈防御雷達可采用消耗資源最小的高精度目標指示搜索方式，在頭體分離無突防或少量誘餌有限突防場景下，各雷達典型跟蹤距離對應的多目標能力如表7所示。實際運用時，導彈防御雷達會結合目標突防場景、目標斜距分布、波束覆蓋情況、目標識別概率等因素靈活選擇跟蹤識別信號波形與跟蹤數據率，多目標跟蹤情況將隨著雷達資源調度而動態演變。

表7 　美國陸基/海基導彈防御雷達多目標能力

在多彈頭與大量誘餌/干擾強突防場景下，多彈頭及其伴飛物將散布更廣空域范圍而消耗雷達更多波束資源，復雜場景也將持久消耗雷達更多寬帶識別資源，導彈防御雷達對付彈道導彈多目標能力將進一步降低。

2.4.2指控處理與攔截多目標能力分析

美國陸基中段防御的指揮控制核心處理算法主要在北方司令部陸基中段防御火控單元或格里利堡陸基中段防御火控單元實施，均為固定指揮所，指控處理能力可根據實際需要配置，不是多目標能力限制瓶頸所在。

攔截多目標能力則主要受限于所部署的GBI攔截彈數量，當前為44枚（格里利堡40枚、范登堡4枚），后續將持續增加部署數量。

2.5　對付目標能力水平分析

美國陸基中段防御主要作戰對象為進攻美國本土的遠程或洲際彈道導彈，結合上述對預警與跟蹤識別能力、保護區、導彈單發殺傷概率分析，現階段美國陸基中段防御可有效應對30～40枚頭體分離無突防或少量誘餌有限突防遠程/洲際彈道導彈的能力。

3　結束語

本文基于美國陸基中段防御系統發展情況與公開情報信息，對其預警與跟蹤識別能力、保護區、導彈單發殺傷概率、多目標能力、對付目標能力水平5項核心能力進行了定量分析或定性評估，有助于更深入準確地認識美國陸基中段防御能力。

［1］ 唐毓燕， 李芳芳， 張振宇， 等. 美國彈道導彈防御系統中的殺傷鏈與殺傷網解析［J］. 現代防御技術， 2023， 51（1）： 1-10.

TANG Yuyan， LI Fangfang， ZHANG Zhenyu， et al. Analysis of Kill Chain and Kill Net Inside the US Ballistic Missile Defense System［J］. Modern Defence Technology， 2023， 51（1）： 1-10.

［2］ 胡磊， 張岐龍， 郭宇， 等. 美國導彈預警衛星發展情況與未來展望［J］. 飛航導彈， 2021（8）： 49-55.

HU Lei， ZHANG Qilong， GUO Yu， et al. Development and Future Prospects of U.S. Missile Early Warning Satellite［J］. Aerodynamic Missile Journal， 2021（8）： 49-55.

［3］ 王云萍. 美國天基紅外導彈預警技術分析［J］. 光電技術應用， 2019， 34（3）： 1-7.

WANG Yunping. Analysis of Space-Based Infrared Missile Warning System in America［J］. Electro-Optic Technology Application， 2019， 34（3）： 1-7.

［4］ 劉尊洋， 李修和. SBIRS-GEO預警衛星工作機理與探測參數分析［J］. 激光與紅外， 2018， 48（3）： 363-368.

LIU Zunyang， LI Xiuhe. Study on Working Mechanism and Detecting Parameters of SBIRS-GEO Early Warning Satellites［J］. Laser & Infrared， 2018， 48（3）： 363-368.

［5］ 唐毓燕， 江涌. 基于UKF的大氣層外飛行器光學衛星跟蹤濾波方法［J］. 現代防御技術， 2022， 50（5）： 1-7.

TANG Yuyan， JIANG Yong. An Approach of Optical Satellites Tracking an Extraatmospheric Vehicle Based on UKF［J］. Modern Defence Technology， 2022， 50（5）： 1-7.

［6］ 韓明. 美國陸基導彈預警雷達發展研究［J］. 飛航導彈， 2020（2）： 69-75， 79.

HAN Ming. Research on the Development of US Land Based Missile Early-Warning Radar［J］. Aerodynamic Missile Journal， 2020（2）： 69-75， 79.

［7］ 康甜. CE-II型EKV紅外傳感器性能分析［J］. 紅外技術， 2017， 39（6）： 495-499.

KANG Tian. Performance Analysis of CE-II EKV Infrared Sensor［J］. Infrared Technology， 2017， 39（6）： 495-499.

［8］ 馮杰， 鮮勇， 劉順成， 等. 基于零控攔截的EKV末段攔截彈道仿真［J］. 飛行力學， 2010， 28（2）： 75-77， 81.

FENG Jie， XIAN Yong， LIU Shuncheng， et al. Trajectory Simulation of EKV Terminal Phase Interception Based on Zero Effort［J］. Flight Dynamics， 2010， 28（2）： 75-77， 81.

Analysis and Evaluation of Core Capabilities of US Ground-Based Midcourse Defense

TANGYuyan

（Beijing Institute of Electronic System Engineering， Beijing 100854， China）

Based on the development of the U.S. ground-based midcourse defense system and public intelligence information， the early warning and tracking identification capabilities， protection zone， missile single-shot kill probability， multiple targets capability and ability level to deal with threat targets are quantitatively analyzed or qualitatively assessed applying systems engineering methods with the industrial foundation and technical level of US ballistic missile defense， which will contribute to understand the capabilities of the U.S. ground-based midcourse defense more thoroughly and accurately.

ground-based midcourse defense； early warning and tracking identification capabilities； protection zone； missile single-shot kill probability； multiple targets capability

2023 -04 -10 ;

2023 -05 -23

唐毓燕（1975），男，重慶合川人。研究員，博士，研究方向為目標探測跟蹤與識別技術。

10.3969/j.issn.1009-086x.2023.03.002

TJ76

A

1009-086X（2023）-03-0010-10

唐毓燕.美國陸基中段防御核心能力分析評估[J].現代防御技術,2023,51(3):10-19.

Reference format:TANG Yuyan.Analysis and Evaluation of Core Capabilities of US Ground-Based Midcourse Defense[J].Modern Defence Technology,2023,51(3):10-19.

通信地址：100854 北京142信箱30分箱